專利名稱：逆變器裝置和電動機驅(qū)動系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在此討論的實施方式涉及一種逆變器裝置和電動機驅(qū)動系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
已知一種傳統(tǒng)的允許通過切換AC (交流)電動機的電樞繞組來進行從低速區(qū)域至高速區(qū)域的寬范圍運轉(zhuǎn)的繞組切換方法。 例如，傳統(tǒng)的繞組切換方法，為了減少繞組切換引起的沖擊，在AC電動機的轉(zhuǎn)數(shù)突然改變的情況下，采取措施禁止繞組切換。然而，例如當(dāng)從低速向高速執(zhí)行持續(xù)加速時，這種措施存在效率低以及還不能獲得足夠扭矩的問題。就此方面，本申請人已提出了一種逆變器裝置，該逆變器裝置即使在加速期間或減速期間，仍可以減少繞組切換引起的沖擊，該逆變器裝置公開在日本專利申請?zhí)亻_第2010-22165號公報中。更具體來說，當(dāng)電壓指令超過可以輸出至AC電動機的最大電壓值時，日本專利申請?zhí)亻_第2010-22165號公報中公開的逆變器裝置計算作為d軸電流指令的修正值的d軸電流指令修正值，并且利用所計算的d軸電流指令修正值來執(zhí)行修正所述d軸電流指令的處理。這時，日本專利申請?zhí)亻_第2010-22165號公報中公開的逆變器裝置在繞組切換之前預(yù)先計算d軸電流指令修正值，在繞組切換時利用預(yù)先計算出的d軸電流指令修正值來修正d軸電流指令。因此，由于可以去除作為繞組切換引起的沖擊的產(chǎn)生原因之一的d軸電流指令修正值的計算延遲，所以即使在加速期間或者減速期間，逆變器裝置仍可以執(zhí)行平滑的繞組切換。此外，日本專利申請?zhí)亻_第2010-22165號公報中公開的逆變器裝置利用扭矩指令、電源電壓值和AC電動機的轉(zhuǎn)速作為參數(shù)，來初步計算d軸電流指令修正值。然而，日本專利申請?zhí)亻_第2010-22165號公報中公開的逆變器裝置在可以進一步減少繞組切換的影響方面還存在改進余地。例如，日本專利申請?zhí)亻_第2010-22165號公報中公開的逆變器裝置使用AC電動機的轉(zhuǎn)速作為用于確定d軸電流指令修正值的參數(shù)。然而，AC電動機的轉(zhuǎn)速受到繞組切換的過渡現(xiàn)象的影響。換言之，存在如下可能性，即，AC電動機的轉(zhuǎn)速的檢測值包括繞組切換的過渡現(xiàn)象所導(dǎo)致的噪聲分量。當(dāng)利用受到過渡現(xiàn)象影響的檢測值來計算d軸電流指令修正值時，存在延長過渡現(xiàn)象的收斂時間(resolution time)的可能性。根據(jù)實施方式的一個方面，本實施方式的目的是提供一種可以減少繞組切換引起的影響的逆變器裝置和電動機驅(qū)動系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)實施方式的一方面的逆變器裝置包括電壓供給單元、繞組切換信號發(fā)生器以及恒功率控制器。所述電壓供給單元連接至AC電動機的與各相相對應(yīng)的電樞繞組的一端，并且將用于驅(qū)動所述AC電動機的可變電壓提供給所述AC電動機。所述繞組切換信號發(fā)生器連接至所述電樞繞組的另一端和中間部中的每一個，并且將繞組切換信號輸出至改變所述電樞繞組的連接的繞組切換部。所述恒功率控制器在施加至所述AC電動機的電壓指令的值超過預(yù)定閾值時，基于所述電壓指令的值和所述預(yù)定閾值來計算并輸出d軸電流指令修正值。此外，所述恒功率控制器在基于所述繞組切換信號確定的輸出切換定時，利用根據(jù)扭矩指令或速度指令以及所提供的直流電壓確定的恒功率模型，來生成所述d軸電流指令修正值，并且輸出所述d軸電流指令修正值達預(yù)定時間。根據(jù)實施方式的一方面的電動機驅(qū)動系統(tǒng)包括直流電壓源、AC電動機以及逆變器裝置。所述逆變器裝置連接至所述AC電動機的與各相相對應(yīng)的電樞繞組的一端。此外，所述逆變器裝置包括繞組切換信號發(fā)生器和恒功率控制器。所述繞組切換信號發(fā)生器連接至所述電樞繞組的另一端和中間部中的每一個，并且將繞組切換信號輸出至改變所述電樞繞組的連接的繞組切換部。所述恒功率控制器在施加至所述AC電動機的電壓指令的值超過預(yù)定閾值時，基于所述電壓指令的值和所述預(yù)定閾值來計算并輸出d軸電流指令修正值。此外，所述恒功率控制器在基于所述繞組切換信號確定的輸出切換定時，利用根據(jù)扭矩指令或速度指令以及所提供的直流電壓確定的恒功率模型，來生成所述d軸電流指令修正值，并且輸出所述d軸電流指令修正值達預(yù)定時間。 根據(jù)實施方式的一方面，可以提供一種可以減少繞組切換引起的影響的逆變器裝置和電動機驅(qū)動系統(tǒng)。


通過結(jié)合附圖來參照下文的詳細描述，可容易獲得并更易于理解對本發(fā)明的更完整的理解及其帶來的眾多優(yōu)點，在附圖中圖I是例示出根據(jù)實施方式的驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)造的框圖；圖2是例示出根據(jù)本實施方式的逆變器裝置的構(gòu)造的框圖；圖3是例示出繞組切換部的構(gòu)造的電路圖；圖4是例示出恒功率控制器的構(gòu)造的框圖；圖5A是例示出用于高速模式的恒功率模型的示例的示圖；圖5B是例示出用于低速模式的恒功率模型的示例的示圖；圖6是例示出電流控制器的構(gòu)造的框圖；圖7是例示出電流指令計算器的構(gòu)造的框圖；圖8A是例示出用于高速模式的電流模型的示例的示圖；以及圖SB是例示出用于低速模式的電流模型的示例的示圖。
具體實施例方式下文中，將參考附圖詳細說明根據(jù)本公開的實施方式的逆變器裝置和電動機驅(qū)動系統(tǒng)(下文中稱為“驅(qū)動系統(tǒng)”)。在此，相同部件具有相同參考標(biāo)記并且適當(dāng)?shù)厥÷灾貜?fù)的說明。然而，就此而言，下文公開的實施方式并非旨在對本發(fā)明進行限制。參照圖I來說明根據(jù)本實施方式的驅(qū)動系統(tǒng)100的構(gòu)造。如圖I所例示，根據(jù)本實施方式的驅(qū)動系統(tǒng)100包括逆變器裝置20、AC (交流)電動機40、位置檢測器41、繞組切換部60、以及直流電壓源80。
逆變器裝置20是將從直流電壓源80提供的DC電力變換為三相AC電力的電力變換裝置。逆變器裝置20連接至設(shè)置在AC電動機40的與各相相對應(yīng)的電樞繞組的一端處的連接端子Al至A3。下面參照圖2來說明逆變器裝置20的構(gòu)造。AC電動機40是三相AC電動機，其包括與U相、V相、以及W相這三相相對應(yīng)的電樞繞組。AC電動機40由從逆變器裝置20輸出的電壓驅(qū)動。繞組切換部60連接至AC電動機40的連接端子A4至A6和連接端子BI至B3。連接端子A4至A6設(shè)置在與各相相對應(yīng)的電樞繞組的終端處，并且連接端子BI至B3設(shè)置在電樞繞組的中間部(在此為中間點)處。位置檢測器41是連接至AC電動機40并且檢測AC電動機40的轉(zhuǎn)子相位Θ的檢測器。例如，可以使用編碼器或者分解器(resolver)作為位置檢測器41。直流電壓源80包括AC電源和整流電路，并且將DC電力提供給逆變器裝置20。例如，也可以使用諸如電池的不具有整流電路的DC電源作為直流電壓源80。
繞組切換部60是切換與各相相對應(yīng)的電樞繞組的連接的切換部。在此，參照圖3來說明繞組切換部60的構(gòu)造。繞組切換部的構(gòu)造示例。圖3是例示出繞組切換部60的構(gòu)造的電路圖。繞組切換部60包括連接至AC電動機40的連接端子BI至B3的第一切換部61 ；以及連接至AC電動機40的連接端子A4至A6的第二切換部62。繞組切換部60使用第一切換部61和第二切換部62，使AC電動機40的電樞繞組的終端或者中間點短路，以切換AC電動機40的繞組特性。繞組切換部60的構(gòu)造與日本專利第3948009號公報中公開的圖I的繞組切換部的構(gòu)造大致相同。繞組切換部60包括電容器(Cl，C2)和電阻器(Rl，R2)，以在繞組切換時有效地吸收殘余能量。電容器Cl和電阻器Rl設(shè)置在第一切換部61中。電容器C2和電阻器R2設(shè)置在第二切換部62中。在圖3中，當(dāng)根據(jù)下述的繞組切換信號，第一切換部61的SWl變?yōu)?FF，而第二切換部62的SW2變?yōu)镺N時，電樞繞組的終端側(cè)(連接端子A4至A6)短路，因此繞組阻抗達到最大狀態(tài)。此狀態(tài)稱為低速模式。在低速模式下，容易獲得大扭矩。然而，隨著轉(zhuǎn)數(shù)變大，扭矩的產(chǎn)生變得更難。另一方面，當(dāng)SWl變?yōu)镺N并且SW2變?yōu)镺FF時，電樞繞組的中間點(連接端子BI至B3)短路，因此繞組阻抗減小。此狀態(tài)稱為高速模式。在高速模式下，因為通過減小繞組阻抗降低了反電動電壓，所以可以容易地獲得扭矩。如上，在低速期間切換繞組以將SWl設(shè)置為OFF且將SW2設(shè)置為ON (低速模式)，而在高速期間切換繞組以將SWl設(shè)置為ON并且將SW2設(shè)置為0FF，因此可以滿足低速運轉(zhuǎn)期間的高扭矩和高速運轉(zhuǎn)期間的扭矩產(chǎn)生。逆變器裝置的構(gòu)造接著，參考圖2來說明根據(jù)本實施方式的逆變器裝置20的構(gòu)造。如圖2中所例示，逆變器裝置20包括扭矩指令發(fā)生器I、電流指令計算器2、電流控制器3、PWM控制器4、電流檢測器5、以及A/D變換器6。此外，逆變器裝置20包括電壓檢測器7、恒功率控制器8、速度計算器9、繞組切換信號發(fā)生器10、常數(shù)切換器11、以及電壓FF (前饋)計算器12、信號變換器13、以及輸入端子14a和14b。扭矩指令發(fā)生器I是產(chǎn)生扭矩指$T_ref并且將扭矩指$T_ref輸出至電流指令計算器2、恒功率控制器8、以及繞組切換信號發(fā)生器10的處理單元。在此情況下，扭矩指令T_ref可從逆變器裝置20的外部控制器(未例示)輸入。電流指令計算器2是基于來自扭矩指令發(fā)生器I的扭矩指令T_ref、來自常數(shù)切換器11的電動機常數(shù)和控制參數(shù)、以及來自信號變換器13的輸出切換信號，來生成d軸電流指令I(lǐng)d_ref和q軸電流指令I(lǐng)q_ref的處理單元。電流指令計算器2將所生成的d軸電流指令I(lǐng)d_ref和q軸電流指令I(lǐng)q_ref輸出至電流控制器3和電壓FF計算器12。下面參考圖7來說明電流指令計算器2的構(gòu)造。 電流控制器3是根據(jù)來自電流指令計算器2的d軸電流指令I(lǐng)d_ref和q軸電流指令I(lǐng)q_ref來控制電流流入AC電動機40并且生成電壓指令Vd_ref和Vq_ref的處理單元。電流控制器3還執(zhí)行將所生成的電壓指令Vd_ref和Vq_ref變換為與三相相對應(yīng)的電壓指令Vu_ref、Vv_ref、Vw_ref的處理。隨后，電流控制器3將電壓指令Vd_ref和Vq_ref輸出至恒功率控制器8,而將電壓指令Vu_ref、Vv_ref、Vw_ref輸出至PWM控制器4。下面參考圖6來說明電流控制器3的構(gòu)造。
PWM控制器4是根據(jù)未例示的載波信號和從電流控制器3輸出的電壓指令Vu_ref、Vv_ref、VW_ref來執(zhí)行PWM控制，并且將具有可變頻率的可變電壓提供給AC電動機40的處理單元。PWM控制器4進一步包括未例示的開關(guān)元件。開關(guān)元件對從直流電壓源80提供的DC電力執(zhí)行電力變換，并且將結(jié)果提供給AC電動機40。如上所述，PWM控制器4相當(dāng)于電壓供給單元的示例，其連接至AC電動機40的與各相相對應(yīng)的電樞繞組的一端，并且將用于驅(qū)動AC電動機40的可變電壓提供給AC電動機40。電流檢測器5是檢測流入AC電動機40的繞組的電流的檢測器。電流檢測器5檢測到的電流輸出至A/D變換器6。A/D變換器6是將電流檢測器5檢測到的電流變換為數(shù)字信號的變換器。A/D變換器6變換為數(shù)字信號的電流的檢測值輸出至電流控制器3。電壓檢測器7是檢測直流電壓源80的電勢，更具體地說，是檢測連接到直流電壓源80的逆變器裝置20的輸入端子14a與14b之間的電勢的檢測器。電壓檢測器7將檢測到的值輸出至恒功率控制器8作為直流電壓。當(dāng)來自電流控制器3的電壓指令(Vd_ref和Vq_ref)達到基于來自電壓檢測器7的直流電壓可以輸出的最大電壓時，恒功率控制器8是基于電壓指令和最大電壓來計算d軸電流指令修正值Id_refc的處理單元。計算出的d軸電流指令修正值Id_refc用于場減弱控制。下面參考圖4來說明恒功率控制器8的構(gòu)造。速度計算器9是基于來自位置檢測器41的轉(zhuǎn)子相位Θ來計算AC電動機40的轉(zhuǎn)速ω的計算器。將計算出的轉(zhuǎn)速ω輸出至繞組切換信號發(fā)生器10和電壓FF計算器12。繞組切換信號發(fā)生器10是將繞組切換信號輸出至繞組切換部60，使得繞組切換部60執(zhí)行繞組切換的處理單元。更具體來說，繞組切換信號發(fā)生器10根據(jù)來自速度計算器9的轉(zhuǎn)速ω和來自扭矩指令發(fā)生器I的扭矩指令T_ref等來確定繞組切換定時，并且在所確定的繞組切換定時將繞組切換信號輸出至繞組切換部60、常數(shù)切換器11、以及信號變換器13。例如，當(dāng)使用轉(zhuǎn)速ω作為標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行繞組切換時，繞組切換信號發(fā)生器10將來自速度計算器9的轉(zhuǎn)速ω與所設(shè)置的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速(下文中稱為“繞組切換速度”)進行比較。然后，當(dāng)轉(zhuǎn)速ω超過繞組切換速度時，它是高速模式的繞組切換定時，而當(dāng)轉(zhuǎn)速ω低于繞組切換速度時，它是低速模式的繞組切換定時。在示例中，如果轉(zhuǎn)速ω低于繞組切換速度，則繞組切換信號是用于將第一切換部61的SWl設(shè)置為OFF并且將第二切換部62的SW2設(shè)置為ON的信號(低速模式)，而如果轉(zhuǎn)速ω超過繞組切換速度，則繞組切換信號是用于將第一切換部61的SWl設(shè)置為ON并且將第二切換部62的SW2設(shè)置為OFF的信號(高速模式)。常數(shù)切換器11存儲用于低速模式(繞組I)的和用于高速模式(繞組2)的電動機常數(shù)以及控制參數(shù)。常數(shù)切換器11將基于來自繞組切換信號發(fā)生器10的繞組切換信號而選擇的數(shù)據(jù)輸出至電流指令計算器2、電流控制器3、以及電壓FF計算器12，并且將當(dāng)前數(shù)據(jù)切換為與AC電動機40的繞組狀態(tài)相對應(yīng)的電動機常數(shù)和控制參數(shù)。例如，常數(shù)切換器11存儲扭矩電流換算因子(K)、電流相位(β )、電樞繞組電感(Ld，Lq)、電樞鏈接磁通(Φ )、以及電樞繞組電阻(R)，作為電動機常數(shù)和控制參數(shù)。 電壓FF計算器12是使用來自電流指令計算器2的d軸電流指令I(lǐng)d_ref和q軸電流指令I(lǐng)q_ref、來自速度計算器9的轉(zhuǎn)速ω、以及來自常數(shù)切換器11的電動機常數(shù)和控制參數(shù)，來計算d軸電壓前饋值Vd_ff和q軸電壓前饋值Vq_ff的處理單元。更具體來說，電壓FF計算器12使用等式(1-1)來計算d軸電壓前饋值Vd_ff，而使用等式(1-2)來計算q軸電壓前饋值Vq_ff。Vd_ff = -ω · Lq · Iq_ref■…(1-1)Vq_ff = ω · Ld · Id_ref■…(1-2)將電壓FF計算器12計算出的d軸電壓前饋值Vd_ff和q軸電壓前饋值Vq_ff加至電流控制器3計算出的電壓指令。通過執(zhí)行處理可以改善電流指令響應(yīng)。信號變換器13是將來自繞組切換信號發(fā)生器10的繞組切換信號變換為用于切換電流指令計算器2、電流控制器3、以及恒功率控制器8中設(shè)置的轉(zhuǎn)換器的輸出切換信號的
處理單元。更具體來說，信號變換器13基于來自繞組切換信號發(fā)生器10的繞組切換信號，將輸出切換信號輸出至電流指令計算器2、電流控制器3、以及恒功率控制器8達預(yù)定時間，其中，在從低速模式向高速模式的切換定時，輸出切換信號的值為“ I ”，而在從高速模式向低速模式的切換定時，輸出切換信號的值為“2”。另一方面，輸出切換信號的值在除了所述定時以外的其它定時為“O”。逆變器裝置20如上所述地被構(gòu)造為基于扭矩指令T_ref來驅(qū)動AC電動機40。因為在切換電動機40的電樞繞組的影響下出現(xiàn)電流反饋值(Id_fb和Iq_fb)，所以振動分量交疊在電流反饋值(Id_fb和Iq_fb)反饋控制的電壓指令(Vd_ref和Vq_ref)上。此外，振動分量交疊在由包括振動分量的電壓指令(Vd_ref和Vq_ref)所計算出的d軸電流指令修正值Id_refc上。因此，當(dāng)利用電流反饋值(Id_fb和Iq_fb)、電壓指令(Vd_ref和Vq_ref )、以及由這些信號所計算出的d軸電流指令修正值Id_refc來控制電動機40時，進一步延長了繞組切換的過渡現(xiàn)象的收斂時間。就此而言，根據(jù)本實施方式的恒功率控制器8輸出使用下文將描述的恒功率模型所生成的d軸電流指令修正值Id_refc達預(yù)定時間,代替可能包括繞組切換時的振動分量的d軸電流指令修正值Id_refc。應(yīng)該注意，根據(jù)本實施方式的電流控制器3在繞組切換定時沒有使用電流指令(Id_ref和Iq_ref)和電流反饋值(Id_fb和Iq_fb),也就是說,沒有執(zhí)行電流反饋控制。此外，在本實施方式中，為了使未執(zhí)行電流反饋控制所帶來的影響最小，向電流指令計算器2的構(gòu)造施加新的扭曲(twist)。下文中，參照圖4、圖6、以及圖7說明恒功率控制器8、電流控制器3、以及電流指令計算器2的具體構(gòu)造。恒功率控制器的構(gòu)造參照圖4來說明恒功率控制器8的構(gòu)造。圖4是例示出恒功率控制器8的構(gòu)造的框圖。如圖4中例示，恒功率控制器8包括振幅計算器81、減法器82、PI控制器83、Id指令限制器84、濾波器85、d軸電流指令修正值生成單元86、以及轉(zhuǎn)換器87。首先，說明當(dāng)輸出切換信號為“O”時恒功率控制器8的輸出。振幅計算器81根據(jù)從電流控制器3輸出的d軸電壓指令Vd_ref和q軸電壓指令Vq_ref，計算用于AC電動機40的電壓指令的振幅值(電壓振幅值)。更具體來說，振幅計算器81使用等式(2)來計算電壓振幅值并且將計算出的振幅值作為電壓反饋值Vfb輸出至減法器82。\'fb = Vcl―ref' + Vq一ref'· · · ·減法器82從箝位電壓指令減去電壓反饋值Vfb并且將減法結(jié)果輸出至PI控制器83。在此，箝位電壓指令是如上所述的、基于所供給的直流電壓可以輸出的最大電壓。箝位電壓指令根據(jù)來自電壓檢測器7的直流電壓的值來確定，通過把直流電壓的值乘以系數(shù)(未示出)來獲得值，諸如此類。PI控制器83對減法器82獲得的減法結(jié)果執(zhí)行包括P控制或者I控制的控制，以進行操作，使得電壓反饋值Vfb不超過箝位電壓指令。為了達到此目的，Id指令限制器84將PI控制器83的正輸出限制為“0”，而將負輸出限制為預(yù)定值，并且將限制后的值輸出至濾波器85。Id指令限制器84的輸出值經(jīng)由濾波器85輸出至轉(zhuǎn)換器87，作為d軸電流指令修正值Id_refc。接著，說明當(dāng)輸出切換信號為“ I ”或者“2”時，恒功率控制器8的輸出。d軸電流指令修正值生成單元86使用根據(jù)來自扭矩指令發(fā)生器I的扭矩指令T_ref和來自電壓檢測器7的直流電壓所確定的恒功率模型，來生成d軸電流指令修正值Id_ref C。此外，d軸電流指令修正值生成單元86把在從低速模式到高速模式的切換定時使用的恒功率模型和在從高速模式到低速模式的切換定時使用的恒功率模型分別存儲，并且從恒功率模型中選擇接近切換定時的運轉(zhuǎn)條件的恒功率模型。隨后，d軸電流指令修正值生成單元86使用所選擇的恒功率模型來生成d軸電流指令修正值Id_refc，并且將所生成的d軸電流指令修正值IcLrefc輸出至轉(zhuǎn)換器87。盡管未例示出，但是當(dāng)恒功率控制器8具有將輸出切換信號的值輸入到d軸電流指令修正值生成單元86的構(gòu)造時,僅需要d軸電流指令修正值生成單元86生成與低速模式和高速模式二者之一相對應(yīng)的d軸電流指令修正值Id_refc。這樣，將所生成的d軸電流指令修正值IcLrefc輸出至轉(zhuǎn)換器87。轉(zhuǎn)換器87根據(jù)來自信號變換器13的輸出切換信號來選擇d軸電流指令修正值Id_refc。更具體來說，如果輸出切換信號為“O”則轉(zhuǎn)換器87選擇濾波器85的輸出作為d軸電流指令修正值Id_refc，如果輸出切換信號為“I”則轉(zhuǎn)換器87選擇用于高速模式的恒功率模型的輸出作為d軸電流指令修正值Id_refC，而如果輸出切換信號為“2”則轉(zhuǎn)換器87選擇用于低速模式的恒功率模型的輸出作為d軸電流指令修正值Id_refc。隨后，將所選擇的d軸電流指令修正值Id_refc輸出至電流指令計算器2。接下來，參照圖5A和圖5B說明d軸電流指令修正值生成單元86中包括的恒功率模型。圖5A是用于高速模式的恒功率模型的示例，其中水平軸表示扭矩指令T_ref，垂直軸表示d軸電流指令修正值Id_refC。圖5B是用于低速模式的恒功率模型的示例，其中水平軸表示扭矩指令T_ref,垂直軸表示d軸電流指令修正值Id_refc。因為AC電動機40的低速模式和高速模式伴隨有不同的電動機常數(shù)和控制參數(shù)，所以即使負載條件相同，電壓指令(Vd_ref和Vq_ref)的大小也不同，因此這種不同對扭矩指令T_ref的大小具有影響。此外，從上述場削弱控制的角度而言，要修正的d軸電流指令修正值Id_refc依賴于直流電壓的大小。因此，如圖5A和圖5B中例示，根據(jù)直流電壓的大小，即使扭矩指令T_ref為相同 值，d軸電流指令修正值Id_refc仍具有不同值。為此,d軸電流指令修正值生成單元86被 構(gòu)造為具有用于高速模式和低速模式各個的多個模型。在圖5A和5B中，恒功率模型不是轉(zhuǎn)速ω的函數(shù)。這是因為繞組切換是基于AC電動機40的轉(zhuǎn)速ω來執(zhí)行的，并且在切換定時，速度變化微小。在此，如果逆變器裝置具有如下構(gòu)造，即繞組切換速度可以是可變的，或者基于扭矩指令T_ref來執(zhí)行繞組切換，則為恒功率模型準(zhǔn)備使用速度作為參數(shù)的函數(shù)，并且將函數(shù)存儲在d軸電流指令修正值生成單元86中。此外，這類似于速度變化在切換定時不小的情況。在圖5A和5B中，已經(jīng)說明了通過使用扭矩指令T_ref和直流電壓作為參數(shù)的函數(shù)來表示恒功率模型的情況。然而，d軸電流指令修正值生成單元86內(nèi)可以保存作為數(shù)值表或者其它格式的恒功率模型，或者可以通過簡化內(nèi)部模型并執(zhí)行插值近似來生成d軸電流指令修正值Id_refc。這樣，即使在繞組切換的定時，恒功率控制器8也可以向電流指令計算器2輸出不包括繞組切換所伴有的振動分量的d軸電流指令修正值Id_refc。因此，可以防止繞組切換弓I起的過渡現(xiàn)象的收斂時間的增加。電流控制器的構(gòu)造接著，參考圖6來說明電流控制器3的構(gòu)造。圖6是例示出電流控制器3的構(gòu)造的框圖。如圖6中例示，電流控制器3包括坐標(biāo)變換單元30、減法器31和32、q軸電流控制器33、d軸電流控制器34、轉(zhuǎn)換器35和36、加法器37和38、以及坐標(biāo)變換器39。坐標(biāo)變換單元30使用轉(zhuǎn)子的相位Θ對從A/D變換器6輸出的電流檢測器5的檢測值Iu_fb和Iv_fb執(zhí)行坐標(biāo)變換，并且生成電流反饋值(Id_fb和Iq_fb)。減法器31是使從電流指令計算器2輸出的q軸電流指令I(lǐng)q_ref減去q軸電流反饋值Iq_fb，并且將減法結(jié)果輸出至q軸電流控制器33的處理單元。減法器32是使從電流指令計算器2輸出的d軸電流指令I(lǐng)d_ref減去d軸電流反饋值Id_fb,并且將減法結(jié)果輸出至d軸電流控制器34的處理單元。q軸電流控制器33和d軸電流控制器34是以使得減法器31和減法器32的減法結(jié)果變成零的方式分別執(zhí)行控制的控制器。轉(zhuǎn)換器35和36是根據(jù)來自信號變換器13的輸出切換信號，分別地選擇是使用q軸電流控制器33的輸出還是使用d軸電流控制器34的輸出的處理單元。更具體來說，如果輸出切換信號是“O”，則轉(zhuǎn)換器35和36將q軸電流控制器33和d軸電流控制器34的輸出分別輸出至加法器37和38，如果輸出切換信號為“I”或者“2”，則替代q軸電流控制器33和d軸電流控制器34的輸出，將“O”輸出至加法器37和38。加法器37將轉(zhuǎn)換器35的輸出加至來自電壓FF計算器12的q軸電壓前饋值Vq_ffo加法器38將轉(zhuǎn)換器36的輸出加至來自電壓FF計算器12的d軸電壓前饋值Vd_ff。將加法結(jié)果輸出至坐標(biāo)變換器39和恒功率控制器8，作為電壓指令(Vd_ref和Vq_ref)。坐標(biāo)變換器39是基于轉(zhuǎn)子的相位Θ將電壓指令(Vd_ref和Vq_ref)變換為U相電壓指令Vu_ref、V相電壓指令Vv_ref、以及W相電壓指令Vw_ref的處理單元。坐標(biāo)變換器39將變換后的電壓指令Vu_ref、Vv_ref、Vw_ref輸出至PWM控制器4。如上所述，當(dāng)執(zhí)行繞組切換時，電流控制器3使用來自電壓FF計算器12的電壓前饋值(Vd_ff, Vq_ff )作為電壓指令(Vd_ref和Vq_ref),而不使用利用電流反饋值(Id_fb 和Iq_fb)執(zhí)行的d軸電流控制器34和q軸電流控制器33的輸出。換言之，因為電流控制器3不使用存在交疊有繞組切換所伴有的振動分量的可能性的反饋控制的輸出，來生成電壓指令(Vd_ref和Vq_ref)，所以可以更確保防止繞組切換弓I起的過渡現(xiàn)象的收斂時間的增加。當(dāng)輸出切換信號為“I”或者“2”時，電流控制器3也執(zhí)行用于初始化q軸電流控制器33和d軸電流控制器34中所包括的積分元素(integral elements)的處理。因此，當(dāng)輸出切換信號再次切換為“O”時，保留在q軸電流控制器33和d軸電流控制器34中的積分元素可以防止生成不合適的電壓指令(Vd_ref和Vq_ref)。電流指令計算器的構(gòu)造接下來，參考圖7來說明電流指令計算器2的構(gòu)造。圖7是例示出電流指令計算器2的構(gòu)造的框圖。如圖7中例示，電流指令計算器2包括q軸電流指令計算器21、最大效率控制器22、加法器23、q軸電流指令生成單元24、d軸電流指令生成單元25、以及轉(zhuǎn)換器26 和 27。q軸電流指令計算器21是使用等式(3)計算q軸電流指令I(lǐng)q_ref的處理單元。
rr r*
. - T ref「00961 Iq ref=-；-=—-- …a'；
L JΦ + fLd- Lq). Id—ref這里，Φ是電樞鏈接磁通，Ld是d軸的電樞繞組電感，并且Lq是q軸的電樞繞組電感。在此，使用加法器23的輸出作為等式(3)中的Id_ref。q軸電流指令計算器21計算出的q軸電流指令I(lǐng)q_ref輸出至q軸電流指令生成單元24和轉(zhuǎn)換器26。最大效率控制器22是使用等式(4)來計算d軸電流指令I(lǐng)d_ref的處理單元。Id_ref = T_ref · K · (-sin β )... (4)這里，K是扭矩電流換算因子并且β是使用q軸方向作為標(biāo)準(zhǔn)的電流相位，q軸方向是垂直于主磁通量(d軸)方向的方向矢量。最大效率控制器22計算出的d軸電流指令I(lǐng)d_ref輸出至加法器23。等式(3)和(4)中的系數(shù)K、β、Φ、Ld、以及Lq是電動機常數(shù)或者控制參數(shù)，并且這些系數(shù)是從常數(shù)切換器11輸入的。加法器23是將來自最大效率控制器22的d軸電流指令I(lǐng)d_ref加至d軸電流指令修正值Id_refc的處理單元。在此，d軸電流指令修正值Id_refc是恒功率控制器8計算出的值，并且是以電壓指令(Vd_ref和Vq_ref)的大小不超過直流電壓的方式，根據(jù)d軸電流指令I(lǐng)d_ref進行修正的值。加法器23計算出的d軸電流指令I(lǐng)d_ref輸出至q軸電流指令計算器21、d軸電流指令生成單元25、以及轉(zhuǎn)換器27。q軸電流指令生成單元24和d軸電流指令生成單元25被構(gòu)造為內(nèi)部分別包括q軸電流模型和d軸電流模型。q軸電流指令生成單元24使用用于高速模式的q軸電流模型來生成用于高速模式的q軸電流指令I(lǐng)q_ref，而使用用于低速模式的q軸電流模型來生成用于低速模式的q軸電流指令I(lǐng)q_ref。所生成的兩個q軸電流指令I(lǐng)q_ref輸出至轉(zhuǎn)換器26。類似的是，d軸電流指令生成單元25使用用于高速模式的d軸電流模型來生成用于高速模式的d軸電流指令I(lǐng)d_ref，而使用用于低速模式的d軸電流模型來生成用于低速模式的d軸電流指令I(lǐng)d_ref。所生成的兩個d軸電流指令I(lǐng)d_ref被輸出至轉(zhuǎn)換器27。這樣，所生成的q軸電流指令I(lǐng)q_ref輸出至轉(zhuǎn)換器26，而所生成的d軸電流指令 Id_ref輸出至轉(zhuǎn)換器27。轉(zhuǎn)換器26和27根據(jù)來自信號變換器13的輸出切換信號，分別選擇q軸電流指令I(lǐng)q_ref和d軸電流指令I(lǐng)d_ref。更具體來說，如果輸出切換信號為“0”，則轉(zhuǎn)換器26和27分別選擇q軸電流指令計算器21的輸出和加法器23的輸出；如果輸出切換信號為“ I ”，則轉(zhuǎn)換器26和27分別選擇通過利用用于高速模式的q軸電流模型和d軸電流模型所生成的指令；而如果輸出切換信號為“2”，則轉(zhuǎn)換器26和27分別選擇通過利用用于低速模式的q軸電流模型和d軸電流模型所生成的指令。將所選擇的指令作為q軸電流指令I(lǐng)q_ref和d軸電流指令I(lǐng)d_ref，再次輸出至電流控制器3和電壓FF計算器12。盡管未例示出，但如果電流指令計算器2具有將輸出切換信號的值輸入q軸電流指令生成單元24和d軸電流指令生成單元25的構(gòu)造,則僅需要q軸電流指令生成單元24和d軸電流指令生成單元25分別生成與低速模式和高速模式二者之一相對應(yīng)的q軸電流指令I(lǐng)q_ref和d軸電流指令I(lǐng)d_ref。接下來，參考圖8A和圖SB來說明q軸電流指令生成單元24和d軸電流指令生成單元25中包括的電流模型。圖8A是用于高速模式的電流模型(q軸電流模型和d軸電流模型)的示例。圖8B是用于低速模式的電流模型(q軸電流模型和d軸電流模型)的示例。在此，水平軸表示時間“t”，而垂直軸表示電流指令的變化量(Λ Iq和Λ Id)。在此，假定扭矩指令T_ref是恒定的，通過對在低速模式下和在高速模式下伴隨電動機常數(shù)和控制參數(shù)的不同而引起的q軸電流和d軸電流的變化進行建模，來獲得q軸電流模型和d軸電流模型。換言之，即使在負載條件為恒定的情況下，也通過對繞組切換所引起的電流指令(Iq_ref, Id_ref)的值的變化進行建模，以也包括電流控制器3的響應(yīng)，來獲得q軸電流模型和d軸電流模型。換言之，通過對繞組切換之后的q軸電流反饋值Iq_fb和d軸電流反饋值Id_fb進行建模，來獲得q軸電流模型和d軸電流模型。更具體來說，構(gòu)造為電流模型內(nèi)具有繞組切換前的電流指令與繞組切換后的電流指令之間的差異(即，電流指令的變化量)，并且q軸電流指令生成單元24和d軸電流指令生成單元25將電流指令的變化量加至繞組切換前的電流指令，并且輸出結(jié)果。如圖8A和圖SB中所示，構(gòu)造為q軸電流模型和d軸電流模型由具有如下函數(shù)的多個模型構(gòu)成，該函數(shù)使用q軸電流控制器33和d軸電流控制器34中的增益設(shè)置值作為參數(shù)。電流模型可以與恒功率模型類似地將所例示的特性存儲為函數(shù)，或者可以將它們存儲為數(shù)值表或其它格式。當(dāng)簡單地構(gòu)造q軸電流指令生成單元24和d軸電流指令生成單元25中的電流模型時,可通過使用多個電流模型的插值近似來生成q軸電流指令和d軸電流指令。在此，已經(jīng)說明了選擇與電流指令的變化量(λ Iq，Δ Id)相對應(yīng)的電流模型的情況。然而，本實施方式并不限于此。例如，可以構(gòu)造為存儲使用繞組切換前的電流指令的大小和繞組切換后的電流指令的大小作為參數(shù)的電流模型。以此方式，從實際繞組切換定時開始直到經(jīng)過預(yù)定時間為止，輸出生成的與q軸電流反饋值Iq_fb相等的q軸電流指令I(lǐng)q_ref和生成的與d軸電流反饋值Id_fb相等的d軸電流指令I(lǐng)d_ref。因此，輸出至電流控制器3的減法器31和32的電流指令(Iq_ref，Id_ref)和電流反饋值(Iq_fb，Id_fb)彼此大致相等。因此，因為來自減法器31和32的輸出值極小，所以即使在繞組切換定時未使用來自q軸電流控制器33和d軸電流控制器34的輸出，也可 以使影響最小。換言之，即使在繞組切換定時未使用來自q軸電流控制器33和d軸電流控制器34的輸出，也可以如同電流控制器3操作那樣來驅(qū)動AC電動機40。如上所述，因為電壓FF計算器12使用不包括繞組切換期間的振動分量的電流指令(Iq_ref, Id_ref )來計算電壓前饋值(Vd_ff, Vq_ff ),所以可以減少繞組切換所伴隨的影響。各個轉(zhuǎn)換器的動作定時接下來，將說明用于說明的各個轉(zhuǎn)換器的動作定時。圖4中例示的恒功率控制器8的轉(zhuǎn)換器87、圖6中例示的電流控制器3的轉(zhuǎn)換器35和36、以及圖7中例示的電流指令計算器2的轉(zhuǎn)換器26和27同步動作。換言之，輸出切換信號在相同定時輸入到轉(zhuǎn)換器26、27、35、36以及87，并且轉(zhuǎn)換器26、27、35、36以及87根據(jù)輸出切換信號在相同定時動作。可以將信號變換器13保持輸出切換信號為“I”或“2”的預(yù)定時間生成為針對恒功率控制器8、電流控制器3以及電流指令計算器2而不同的時間。例如，可將給電流指令計算器2的輸出切換信號所保持的預(yù)定時間設(shè)置得比給電流控制器3的輸出切換信號所保持的時間長。此原因在于僅在電流控制器3未使用q軸電流控制器33和d軸電流控制器34的輸出的時間，可以輸出與電流反饋值(Iq_fb, Id_fb)相等的電流指令(Iq_ref, Id_ref)?？梢允褂梅€(wěn)定繞組切換引起的d軸電流變化的時間作為標(biāo)準(zhǔn)，來確定給恒功率控制器8的輸出切換信號所保持的預(yù)定時間。在此情況下，該確定的時間趨于比給電流指令計算器2或電流控制器3的輸出切換信號所保持的預(yù)定時間長。因為如上所述地構(gòu)造根據(jù)本實施方式的逆變器裝置20和驅(qū)動系統(tǒng)100，所以它們具有以下效果。在本實施方式中，因為恒功率控制器8在基于來自信號變換器13的輸出切換信號所確定的輸出切換定時，使用根據(jù)扭矩指令和直流電壓而確定的恒功率模型，生成d軸電流指令修正值并輸出該d軸電流指令修正值達預(yù)定時間，所以可以減少繞組切換所引起的影響。此外，在本實施方式中，因為電流控制器3在基于來自信號變換器13的輸出切換信號確定的輸出切換定時，將d軸電壓前饋值設(shè)置為d軸電壓指令而將q軸電壓前饋值設(shè)置為q軸電壓指令，所以可以更確保防止繞組切換引起的過渡現(xiàn)象的收斂時間增加。此外，在本實施方式中，因為電流指令計算器2在基于來自信號變換器13的輸出切換信號確定的輸出切換定時，使用對繞組切換所伴有的q軸電流變化進行建模而獲得的電流模型和對繞組切換所伴有的d軸電流變化進行建模而獲得的電流模型，來生成q軸電流指令和d軸電流指令,并且輸出該q軸電流指令和d軸電流指令達預(yù)定時間,所以可以使繞組切換期間未執(zhí)行電流反饋控制的影響最小。在本實施方式中，已經(jīng)說明了基于扭矩指令來控制AC電動機40的情況。然而，本實施方式并不限于此。逆變器裝置20可以基于表示AC電動機40的轉(zhuǎn)速的速度指令來控制AC電動機40。在此情況下，逆變器裝置20基于速度指令來生成電流指令(Id_ref和Iq_ref)和電壓指令(Vu_ref、Vv_ref、Vw_ref)等。在此,速度指令可以從外部輸入。另選的 是，逆變器裝置20可包括生成速度指令的速度指令發(fā)生器。此外，在本實施方式中，已經(jīng)說明了通過多元化設(shè)計恒功率控制器8、電流控制器
3、以及電流指令計算器2的構(gòu)造，可更確保減小繞組切換所伴隨的影響。然而，可以通過僅多元化設(shè)計恒功率控制器8的構(gòu)造來構(gòu)造逆變器裝置。換言之，例如，逆變器裝置可被構(gòu)造為包括例如不包括轉(zhuǎn)換器35和36的電流控制器，以及不包括d軸電流指令修正值生成單元86和轉(zhuǎn)換器87的電流指令計算器。此外，在本實施方式中，已經(jīng)說明了繞組切換部60具有圖3中例示的構(gòu)造的情況。然而，繞組切換部60的構(gòu)造不限于圖3中例示出的構(gòu)造。例如，繞組切換部60可具有日本專利第3948009號公報的圖2至圖5例示的構(gòu)造，或者可具有日本專利第2742800號公報或日本專利第3037471號公報中公開的構(gòu)造。另選的是，繞組切換部60可具有其它構(gòu)造。此外，在本實施方式中，已經(jīng)說明了驅(qū)動系統(tǒng)100具有分開的繞組切換部60和逆變器裝置20的構(gòu)造作為示例。然而，驅(qū)動系統(tǒng)100可以包括內(nèi)置有繞組切換部60的逆變器裝置。此外，驅(qū)動系統(tǒng)100可具有AC電動機40內(nèi)置有繞組切換部60的構(gòu)造。當(dāng)采用此種構(gòu)造時，可以減少安裝面積和布線圖。
權(quán)利要求
1.一種逆變器裝置，該逆變器裝置包括 電壓供給單元，其連接至AC電動機的與各相相對應(yīng)的電樞繞組的一端，并且將用于驅(qū)動所述AC電動機的可變電壓提供給所述AC電動機； 繞組切換信號發(fā)生器，其連接至所述電樞繞組的另一端和中間部中的每一個，并且將繞組切換信號輸出至改變所述電樞繞組的連接的繞組切換部；以及 恒功率控制器，其在給所述AC電動機的電壓指令的值超過預(yù)定閾值時，基于所述電壓指令的值和所述預(yù)定閾值來計算并輸出d軸電流指令修正值，其中， 所述恒功率控制器在基于所述繞組切換信號確定的輸出切換定時，利用根據(jù)扭矩指令或者速度指令以及所提供的直流電壓所確定的恒功率模型，來生成所述d軸電流指令修正值，并且輸出所述d軸電流指令修正值達預(yù)定時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的逆變器裝置，其中，所述恒功率控制器從與所述扭矩指令或所述速度指令以及所述直流電壓的組合相對應(yīng)的多個恒功率模型中，選擇與所述輸出切換定時處的運轉(zhuǎn)條件接近的恒功率模型，并且使用所選擇的恒功率模型生成所述d軸電流指令修正值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的逆變器裝置，該逆變器裝置還包括 電壓前饋計算器，其基于所述d軸電流指令、q軸電流指令、以及所述AC電動機的轉(zhuǎn)速，來計算d軸電壓前饋值和q軸電壓前饋值；以及 電流控制器，其基于所述d軸電壓前饋值和利用所述d軸電流指令和d軸電流反饋值的反饋控制的結(jié)果，來生成d軸電壓指令，并基于所述q軸電壓前饋值和利用所述q軸電流指令和q軸電流反饋值的反饋控制的結(jié)果，來生成q軸電壓指令，其中， 所述電流控制器在基于所述繞組切換信號確定的所述輸出切換定時，輸出所述d軸電壓前饋值作為所述d軸電壓指令，并輸出所述q軸電壓前饋值作為所述q軸電壓指令。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的逆變器裝置，該逆變器裝置還包括 電壓前饋計算器，其基于所述d軸電流指令、q軸電流指令、以及所述AC電動機的轉(zhuǎn)速，來計算d軸電壓前饋值和q軸電壓前饋值；以及 電流控制器，其基于所述d軸電壓前饋值和利用所述d軸電流指令和d軸電流反饋值的反饋控制的結(jié)果，來生成d軸電壓指令，并基于所述q軸電壓前饋值和利用所述q軸電流指令和q軸電流反饋值的反饋控制的結(jié)果，來生成q軸電壓指令，其中， 所述電流控制器在基于所述繞組切換信號確定的所述輸出切換定時，輸出所述d軸電壓前饋值作為所述d軸電壓指令，并輸出所述q軸電壓前饋值作為所述q軸電壓指令。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的逆變器裝置，其中，所述電流控制器在基于所述繞組切換信號確定的所述輸出切換定時，初始化所述反饋控制中包括的積分元素。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的逆變器裝置，其中，所述電流控制器在基于所述繞組切換信號確定的所述輸出切換定時，初始化所述反饋控制中包括的積分元素。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項所述的逆變器裝置，該逆變器裝置進一步包括電流指令計算器，該電流指令計算器基于所述扭矩指令或所述速度指令以及所述d軸電流指令修正值，來生成d軸電流指令和q軸電流指令，其中， 所述電流指令計算器在基于所述繞組切換信號確定的所述輸出切換定時，通過使用對繞組切換導(dǎo)致的q軸電流變化進行建模而獲得的q軸電流模型來生成所述q軸電流指令，并輸出所述q軸電流指令達預(yù)定時間，并且通過使用對繞組切換導(dǎo)致的d軸電流變化進行建模而獲得的d軸電流模型來生成所述d軸電流指令,并輸出所述d軸電流指令達預(yù)定時間。
8.—種電動機驅(qū)動系統(tǒng),該電動機驅(qū)動系統(tǒng)包括 直流電壓源； AC電動機；以及 逆變器裝置，其連接至所述AC電動機的與各相相對應(yīng)的電樞繞組的一端， 所述逆變器裝置包括 繞組切換信號發(fā)生器，其連接至所述電樞繞組的另一端和中間部中的每一個，并且將繞組切換信號輸出至改變所述電樞繞組的連接的繞組切換部；以及 恒功率控制器，其在給所述AC電動機的電壓指令的值超過預(yù)定閾值時，基于所述電壓指令的值和所述預(yù)定閾值來計算并輸出d軸電流指令修正值，其中， 所述恒功率控制器在基于所述繞組切換信號確定的輸出切換定時，利用根據(jù)扭矩指令或者速度指令和所提供的直流電壓所確定的恒功率模型，來生成所述d軸電流指令修正值，并且輸出所述d軸電流指令修正值達預(yù)定時間。
全文摘要
本發(fā)明涉及逆變器裝置和電動機驅(qū)動系統(tǒng)。根據(jù)實施方式的逆變器裝置包括恒功率控制器。恒功率控制器在施加至AC電動機的電壓指令的值超過預(yù)定閾值時，基于所述電壓指令的值和所述預(yù)定閾值來計算并輸出d軸電流指令修正值。此外，所述恒功率控制器在基于繞組切換信號確定的輸出切換定時，利用根據(jù)扭矩指令或者速度指令以及所提供的直流電壓確定的恒功率模型，來生成所述d軸電流指令修正值，并且輸出所述d軸電流指令修正值達預(yù)定時間。
文檔編號H02P27/08GK102868347SQ20121023024
公開日2013年1月9日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者陳振寧, 川地智洋, 葛島光則 申請人:株式會社安川電機